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JP3938331B2 - Magnetic bearing generator motor - Google Patents
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JP3938331B2 JP2002171757A JP2002171757A JP3938331B2 JP 3938331 B2 JP3938331 B2 JP 3938331B2 JP 2002171757 A JP2002171757 A JP 2002171757A JP 2002171757 A JP2002171757 A JP 2002171757A JP 3938331 B2 JP3938331 B2 JP 3938331B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定子に二組の極数が異なる巻線を備え、その二組の巻線に電流が流れることで回転子を浮上支持する磁気軸受機能を備えた発電電動機に係り、特に、一定のエネルギーを蓄積して、その蓄積したエネルギーを消費して発電機または電動機として前記発電電動機を動作させるのに好適なシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
発電電動機の固定子に極数が2n(但しnは整数)だけ異なる二組の巻線を備え、その二組の巻線に電流が流れることで、回転子と固定子との間に静止磁気力を発生させる発電電動機によれば、例えば固定子の主巻線を2極とし、制御巻線を4極とした二組の巻線を備えることで、それぞれの巻線に流れる交流電流による回転磁界の合成で半径方向の静止磁気力が発生することが知られている。この半径方向の静止磁気力は、主巻線の発電電動機の電流に対して、制御巻線の電流の大きさおよび位相を調整することで、任意の方向で且つ任意の大きさに調整することができる。したがって、回転子の周辺に変位センサを配置し、回転子の浮上位置を検出して、回転子が所定の位置に浮上支持されるように制御巻線の電流の大きさおよびその位相を調整することで、通常の磁気軸受と同様に回転子を所定の浮上位置に位置決めして支持することが可能である。
【0003】
このような発電電動機の用途として、一定のエネルギーを蓄積したエネルギー源から、そのエネルギーを徐々に消費して発電機または電動機として動作させる場合がある。例えば、フライホイール式の発電機として動作させる場合には、高速で回転するフライホイールに機械的な運動エネルギーを蓄積し、そのフライホイールに発電機の回転子を直結することで、回転子を磁気軸受機能により浮上支持しつつ、発電機の固定子から発電電力を出力することができる。このような用途に磁気軸受兼用発電電動機を用いることで、軸受によるエネルギー損失が存在しないので、機械的な運動エネルギーを長時間にわたり保持することが可能である。
【0004】
係る形式のフライホイール式の発電機においては、回転子が高速で回転して交流電力が出力されるので、その発電電力の周波数は一般に高いものとなる。このため、この交流発電電力を整流して直流電力に変換し、これをインバータ装置により商用交流電源等の電圧および周波数にあわせた交流電力を形成し、需要先に供給することになる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる構成の磁気軸受兼用発電電動機においては、発電出力を取り出すことによりフライホイールの有する運動エネルギーが徐々に減少する。すなわち、フライホイールの回転数が徐々に減少し、これに伴い発電電動機の回転子の回転数が減少し、これにより発電出力電圧が徐々に低下していく。しかしながら、インバータ装置においては、所要の出力電圧の交流出力を得るために、直流部分の電圧がある程度以上であることが必要である。このため、所望の電圧および周波数の交流出力をインバータ装置の出力側から得る場合には、発電機出力を整流した直流電圧をDC・DCコンバータ等によってインバータ装置の所要の直流電圧に昇圧する必要がある。また、フライホイールの回転数の低下とともに、発電機の出力周波数が低下するため、これを整流して直流に変換した時の出力電圧のリップルが増加し、発電品質を損なうという問題もある。
【0006】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、磁気軸受機能を有する発電電動機を一定のエネルギーを蓄積したエネルギー源からそのエネルギーを使用しつつ発電機または電動機として動作させるに際して、蓄積したエネルギーが減少しても、所要の出力を得ることができるようにした磁気軸受兼用発電電動機を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気軸受兼用発電電動機は、定子に極数が2n(但しnは整数)だけ異なる第1の巻線と第2の巻線とを備え、該第1の巻線と第2の巻線に電流が流れることで回転子を固定子に対して浮上支持する磁気軸受兼用発電電動機において、前記第1の巻線と第2の巻線のうち、一方の巻線を主巻線とし、他方の巻線を制御巻線とし、主巻線となる巻線と接続し発電電力を負荷側に供給するインバータ装置と、制御巻線となる巻線と接続し該巻線に制御電流を供給するインバータ装置と、前記第1の巻線と第2の巻線のうち、一方の巻線を主巻線から制御巻線に、他方の巻線を制御巻線から主巻線に切換える切換器とを備えたことを特徴とする。
【0008】
ここで、前記二組の巻線は2極巻線と4極巻線とであることが好ましい。また、前記発電電動機を発電機として動作させ、前記発電機の出力電圧が所定電圧にまで低下した時に、前記第1の巻線と第2の巻線を切換える手段を備えることが好ましく、前記切換えに際して、前記発電機の出力電圧が所定の倍率に上昇することが好ましい。
【0009】
上述した本発明によれば、磁気軸受機能を有する発電電動機を、例えばフライホイール式発電機として用いることで、フライホイールに蓄積した運動エネルギーが減少し、これにより発電機の出力電圧が低下しても、発電電動機の固定子に設けられた例えば2極巻線と4極巻線の二組の巻線を切換えて、当初の出力電圧を得ることができる。例えば、2極巻線を主巻線として採用し、フライホイールに蓄積したエネルギー消費の開始当初、発電機出力が所要の電圧を出力する場合に、フライホイールの運動エネルギーの消費が進むと、フライホイールの回転数が低下して発電機出力電圧も低下する。この時に、第2の巻線である4極巻線に発電機の主巻線を切換えることで、4極巻線は2極巻線と比較してその電気角が小さいため、高い出力電圧が得られる。これにより、フライホイールのエネルギー消費が進みその回転数が低下しても、発電機出力を4極巻線に切換えることで、もとの出力電圧を得ることができる。したがって、このフライホイールに直結した発電機の出力をインバータ装置を介して所要の交流電力を形成するに際して、インバータ装置におけるDC・DCコンバータ等の負担を軽減することができ、フライホイールに蓄積したエネルギーの有効利用が可能となると共に、リップルの減少等の発電品質の向上に寄与する。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
【0011】
図1は、本発明の実施形態の磁気軸受兼用発電電動機を用いた発電システムを示す。この実施形態においては、磁気軸受兼用発電電動機は、フライホイールを備え、フライホイール式発電機として動作するものである。即ち、発電電動機11には固定子12と回転子13とを備え、固定子には2極巻線14と、4極巻線15とが配置されている。回転子13は、誘導型の無極性回転子であり、フライホイール16にその主軸が直結されている。
【0012】
図示は省略するが、この発電電動機11には回転子13の浮上位置を検出する変位センサを備え、主巻線に流れる電流に対して制御巻線に流れる電流の大きさおよび位相を調整することで、半径方向の静止磁気力を生成し、これにより磁気軸受と同様に回転子13を所定位置に非接触で浮上支持する。なお、図示の場合は磁気軸受機能を有する発電電動機11を1台のみ示したが、実際には同様の形式の発電電動機を複数台備え、これによりフライホイール16に直結した主軸を複数個所で支持する。
【0013】
この発電電動機11においては、例えば100kg程度の質量を有するフライホイール16を、毎分10000回転等の高速で回転させ、これにより機械的な運動エネルギーを貯える。そして、2極巻線14と4極巻線15との一方を主巻線とし、他方を制御巻線とすることで、回転子13を磁気軸受として浮上支持しつつ、主巻線から発電電力を取出す。上述したように、この発電電動機11においては、2極巻線14と4極巻線15とを備えているので、いずれか片方の巻線を主巻線とし、他方の巻線を制御巻線とすることで、いずれの場合にも極数差が2となり、これにより半径方向の静止磁気力の発生が可能であり、回転子を磁気軸受機能により浮上支持することができる。
【0014】
この発電システムにおいては、2極巻線14と4極巻線15とを切換える切換器17を備えている。この切換器17により、2極巻線14を主巻線とし、4極巻線15を制御巻線とする組合せと、4極巻線15を主巻線とし、2極巻線14を制御巻線とする組合せとに切換えが可能である。切換器17の主インバータ装置側18には、発電電動機11で形成される交流電力を一旦整流して直流電力に変換し、さらに商用電源周波数・電圧に合わせた交流電力に変換するインバータ装置19が接続されている。
【0015】
このインバータ装置19は、発電電動機11の発電出力を整流するコンバータ部19aと、整流された電圧を平滑化し、直流電力として保持するコンデンサからなる直流部19bと、その直流電力を昇圧するDC・DCコンバータ等の昇圧部19cと、昇圧された直流電力から所要の周波数・電圧の交流電力に逆変換するインバータ部19dとから構成されている。このように商用交流電源等の周波数・電圧に変換された発電電力は、端子20から負荷側に供給される。
【0016】
一方で、切換器17の制御インバータ装置側21には制御電流供給用のインバータ装置22に接続され、このインバータ装置22は、商用交流電源等の交流電力を一旦整流した後に、発電電動機11の制御巻線に所要の制御電流を供給する。このインバータ装置22により、固定子12の制御巻線に主巻線に流れる電流に対して極数が2だけ異なる交流電流が供給され、その位相および大きさを調整することで、任意の方向の静止磁気力を形成することは上述したとおりである。
【0017】
切換器17の切換え動作は、制御装置23の指令により行われる。制御装置23は、インバータ装置19および22にそれぞれ接続され、これらの動作状態を監視すると共に、これらに対して制御指令を出力する。即ち、一方の巻線を主巻線として動作させている時に、この出力電圧が低下して、所定値に到達すると、切換え信号を切換器17に出力し、主巻線を他方の巻線に切換える。この時、主巻線電流と制御巻線電流とが、それぞれ切換え前の状態を維持するように、インバータ装置19および22を調整する。
【0018】
図2は、固定子内部の各巻線における電流分布を示す。図2(a)に示す場合は、主巻線として2極巻線14を採用し、制御巻線として4極巻線15を採用した場合である。2極巻線14を主巻線として用いることで、図示する2極の磁束が形成され、これにより2極の主回転磁界が形成される。一方で、4極巻線15により4極の制御磁界が形成される。
【0019】
図2(b)に示す場合は、主巻線として4極巻線15を採用し、制御巻線として2極巻線14を採用した場合である。4極巻線15を主巻線として用いることで、図示する4極の磁束が形成され、4極の回転磁界が形成される。この場合には、制御巻線として2極巻線14が採用され、同様に2極の制御磁界が形成される。そして、この発電システムにおいては切換器17を備えることで、図2(a)に示すように2極巻線を主巻線として、4極巻線を制御巻線として採用する場合と、図2(b)に示すように4極巻線を主巻線として、2極巻線を制御巻線として採用する場合とに切換えが可能である。
【0020】
次に、この発電システムの動作について、図1及び図3を参照して説明する。この発電システムは、上述したようにフライホイール16に発電電動機11を直結し、フライホイールに運動エネルギーを蓄積し、そこから発電電力として発電電動機を発電機として動作させて、電力エネルギーを取り出すものである。ここで、発電電動機11は、2極巻線と4極巻線とを備え、そのいずれもが主巻線としてもまた制御巻線としても動作し得るものである。
【0021】
まず、図示の前段階として、回転子13に直結したフライホイール16を所定の回転数Sに到達するまで発電電動機11を電動機として駆動する。この時に、主巻線として2極巻線14を採用し、同時に制御巻線として4極巻線15を採用し、これに制御電流を供給することで、回転子13を浮上した状態とする。即ち、発電電動機11が磁気軸受として機能し、これにより回転子13が固定子12に対して非接触で浮上支持される。これにより、発電機として機能する状態に移行する。ここで、フライホイール16として質量の大きな回転体が高速で回転することで、多量の運動エネルギーが蓄積されている。この時の発電電圧がVである。
【0022】
時刻tにおいて負荷が発生すると、発電電動機11がフライホイール16により駆動され、発電機として出力動作する。切換器17は主巻線として2極巻線14を採用するように当初接続され、主巻線に発生した発電電力は、インバータ装置19により商用交流電源の電圧・周波数に対応した電力に変換され、端子20から負荷側に供給される。一方で、生成した交流電力の一部はインバータ装置22に導入され、発電電動機11を磁気軸受として機能させるために必要な制御巻線に供給される電流に逆変換して制御巻線に供給される。
【0023】
フライホイール式発電機のように、発電時において外部からエネルギーの供給がない発電装置では、負荷Lの供給に応じてその保有する運動エネルギーが減少し、回転数Sが低下する。制御装置においては、回転子の回転数または発電電圧を検知して、例えば予め設定した切換電圧値Vに低下したときに、今まで主巻線として採用していた2極巻線を制御巻線として用いるように切換え、制御巻線として採用していた4極巻線を主巻線として採用するように切換える(時刻t)。即ち、図1において切換器17は図中実線で示す状態から点線で示す状態に切換えられる。
【0024】
この切換えによって、発電機として発電電圧が形成される主巻線は2極から4極に交代し、4極巻線においては2極巻線に対して電気角が1/2と小さいので、発電電圧がこの場合は倍化する(VからVになる)。従って、回転数Sが当初の約1/2に低下したときに4極巻線と2極巻線との切換えを行うことで、発電電圧Vを当初の電圧Vに戻すことができる。
【0025】
これにより、インバータ装置19においては、DC・DCコンバータ19cによりインバータ部に供給する電圧を昇圧するが、コンバータ部19aに供給される電圧自体が高くなるので、このDC・DCコンバータ19cの負担を軽減することができる。換言すれば、フライホイールに蓄積された運動エネルギーが消費され、回転数が半分程度に低減しても、なおかつ当初の発電電圧に戻すことができ、これによりフライホイールに蓄積されたエネルギーを有効利用することができる。
【0026】
なお、上記実施形態においては、フライホイールに蓄積された運動エネルギーを消費して発電電力に変換する例について述べたが、それ以外に各種の応用が可能である。例えば、蓄電池に貯えられた電力エネルギーを2極巻線および4極巻線を有する発電電動機に供給して電動機として運転する。当初は4極巻線を主巻線として駆動電流を与え、2極巻線は制御巻線として制御電流を与えて、回転子を静止磁気力により磁気軸受として浮上支持した状態で、電動機運転を行う。この2極巻線と4極巻線はそれぞれ単独で電動機としての定格運転可能であるように製作し、2極巻線は4極巻線より低い定格電圧で動作するように製作する。電動機運転が継続することで蓄電池に蓄えられた電力エネルギーが低下し、その電圧が低下したときに駆動電流を与えている4極巻線を2極巻線に切換え、制御電流を与えている2極巻線を4極巻線に切換える。この操作によって電動機に供給する電圧を昇圧することなく、2極巻線を主巻線とした十分な定格運転状態を維持できる。切換え後は4極巻線は制御巻線として使用するが、磁気浮上を行うために必要な制御巻線電流は主巻線の駆動電流よりも十分に小さいため、必要電圧は小さく、そのため供給電圧が低下しても磁気浮上した電動機運転に支障をきたすことがない。また、切換え後の2極巻線は低い定格電圧で動作するため、2極巻線に与える電流を調整するインバータへの供給電圧は十分低い電圧で運転できる。このように主巻線および制御巻線として採用される巻線を切換えることで発電出力または電動機出力を運転当初の状態に戻すことが可能となる。
【0027】
また、上記実施形態においては、4極巻線と2極巻線とを設けた例について説明したが、この組合せ以外にも極数が±2n(但しnは整数)という関係であれば、半径方向の静止磁気力が得られる。従って、上記極数の関係を満足する限り、上述と同様な磁気軸受機能を備えた発電電動機として動作させることが可能である。
【0028】
また、上記実施形態では、発電電圧が当初の1/2に落ちた状態で巻線を切換える例について説明したが、巻線比を予め調整しておき、例えば回転数が2/3に低下したときに切換を行うようにしてもよい。このように本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変形実施例が可能である。
【0029】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、磁気軸受機能を有する発電電動機を用いて、機械的エネルギーを電力エネルギーに変換するに際して、或いは電力エネルギーを機械的エネルギーに変換するに際して、極数が異なる2組の配線の役割を切換えることで、供給するエネルギーが低下した状態においても元の発電電圧或いは回転数等に戻すことが可能となる。これにより、蓄積したエネルギーの有効利用が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態の発電システムを示す図である。
【図2】図1における磁気軸受兼用発電機の電流分布を示し、(a)は主巻線として2極巻線を用い、制御巻線として4極巻線を用いた例を示し、(b)は主巻線として4極巻線を用い、制御巻線として2極巻線を用いた例を示す。
【図3】図1に示す発電システムの動作例を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
11 磁気軸受兼用発電電動機
12 固定子
13 回転子
14 2極巻線
15 4極巻線
16 フライホイール
17 切換器
18 主インバータ装置側
19 主インバータ装置
20 端子
21 制御インバータ装置側
22 制御用インバータ装置
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a generator motor having a magnetic bearing function that includes two sets of windings with different numbers of poles in a stator and has a magnetic bearing function that levitates and supports a rotor when current flows through the two sets of windings. The present invention relates to a system suitable for accumulating certain energy and consuming the accumulated energy to operate the generator motor as a generator or motor.
[0002]
[Prior art]
The stator of the generator motor is provided with two sets of windings that differ in number of poles by 2n (where n is an integer), and current flows through the two sets of windings, so that static magnetism is generated between the rotor and the stator. According to the generator motor that generates the force, for example, by providing two sets of windings with the main winding of the stator having two poles and the control winding having four poles, rotation by the alternating current flowing in each winding It is known that a static magnetic force in the radial direction is generated by combining magnetic fields. This static magnetic force in the radial direction can be adjusted in any direction and to any magnitude by adjusting the magnitude and phase of the current in the control winding relative to the current of the generator motor in the main winding. Can do. Therefore, a displacement sensor is arranged around the rotor, the floating position of the rotor is detected, and the magnitude and phase of the control winding current are adjusted so that the rotor is levitated and supported at a predetermined position. Thus, it is possible to position and support the rotor at a predetermined floating position as in a normal magnetic bearing.
[0003]
Such a generator motor may be used as a generator or a motor by gradually consuming the energy from an energy source that stores a certain amount of energy. For example, when operating as a flywheel generator, mechanical kinetic energy is stored in a flywheel that rotates at high speed, and the rotor of the generator is directly connected to the flywheel, thereby making the rotor magnetic. The generated power can be output from the stator of the generator while floating and supporting by the bearing function. By using a magnetic bearing / generator motor for such an application, there is no energy loss due to the bearing, and therefore mechanical kinetic energy can be maintained for a long time.
[0004]
In such a type of flywheel generator, since the rotor rotates at high speed and AC power is output, the frequency of the generated power is generally high. For this reason, this AC generated power is rectified and converted into DC power, and this AC power is formed by an inverter device in accordance with the voltage and frequency of a commercial AC power supply and supplied to the customer.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the magnetic bearing / generator motor configured as described above, the kinetic energy of the flywheel is gradually reduced by extracting the power generation output. That is, the rotational speed of the flywheel gradually decreases, and accordingly, the rotational speed of the rotor of the generator motor decreases, and the generated output voltage gradually decreases accordingly. However, in the inverter device, in order to obtain an AC output of a required output voltage, the voltage of the DC portion needs to be a certain level or more. Therefore, when an AC output having a desired voltage and frequency is obtained from the output side of the inverter device, the DC voltage obtained by rectifying the generator output needs to be boosted to a required DC voltage of the inverter device by a DC / DC converter or the like. is there. In addition, since the output frequency of the generator decreases with a decrease in the rotational speed of the flywheel, there is a problem that the ripple of the output voltage when this is rectified and converted to direct current increases and the power generation quality is impaired.
[0006]
The present invention has been made in view of the above-described circumstances. When a generator motor having a magnetic bearing function is operated as a generator or a motor while using the energy from an energy source that has stored a certain amount of energy, the stored energy is obtained. An object of the present invention is to provide a magnetic bearing / generator motor capable of obtaining a required output even if the power supply decreases.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
Magnetic bearings and generator motor of the present invention, the solid poles in stator is 2n (where n is an integer) with only a different first winding and the second winding, said first winding and the second In the generator and motor for magnetic bearings that supports the rotor to be levitated and supported with respect to the stator by passing a current through the winding, one of the first and second windings is used as a main winding. The other winding is the control winding, connected to the main winding and the inverter device for supplying the generated power to the load side, and the control winding is connected to the control current to the winding. Inverter device to be supplied and switching for switching one of the first winding and the second winding from the main winding to the control winding and the other winding from the control winding to the main winding And a vessel .
[0008]
Here, the two sets of windings are preferably two-pole windings and four-pole windings. The generator motor is preferably operated as a generator, and preferably includes means for switching the first winding and the second winding when the output voltage of the generator drops to a predetermined voltage. At this time, it is preferable that the output voltage of the generator rises to a predetermined magnification.
[0009]
According to the present invention described above, a generator motor having a magnetic bearing function is used as, for example, a flywheel generator, so that the kinetic energy accumulated in the flywheel is reduced, thereby reducing the output voltage of the generator. In addition, the initial output voltage can be obtained by switching two sets of windings, for example, a two-pole winding and a four-pole winding provided in the stator of the generator motor. For example, when a two-pole winding is adopted as the main winding and the energy output accumulated in the flywheel starts and the generator output outputs the required voltage, The rotation speed of the wheel decreases and the generator output voltage also decreases. At this time, by switching the main winding of the generator to the quadrupole winding which is the second winding, the electrical angle of the 4-pole winding is smaller than that of the 2-pole winding, so a high output voltage can be obtained. can get. Thereby, even if the energy consumption of the flywheel progresses and the rotational speed thereof decreases, the original output voltage can be obtained by switching the generator output to the four-pole winding. Therefore, when forming the required AC power from the generator output directly connected to the flywheel via the inverter device, the burden on the DC / DC converter etc. in the inverter device can be reduced, and the energy accumulated in the flywheel Can be used effectively, and contributes to the improvement of power generation quality such as the reduction of ripples.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0011]
FIG. 1 shows a power generation system using a magnetic bearing combined generator motor according to an embodiment of the present invention. In this embodiment, the magnetic bearing / generator motor includes a flywheel and operates as a flywheel generator. That is, the generator motor 11 includes a stator 12 and a rotor 13, and a two-pole winding 14 and a four-pole winding 15 are arranged on the stator. The rotor 13 is an induction type non-polar rotor, and its main shaft is directly connected to the flywheel 16.
[0012]
Although not shown, the generator motor 11 is provided with a displacement sensor for detecting the floating position of the rotor 13, and adjusts the magnitude and phase of the current flowing in the control winding with respect to the current flowing in the main winding. Thus, a static magnetic force in the radial direction is generated, and thereby, the rotor 13 is levitated and supported at a predetermined position in a non-contact manner like the magnetic bearing. In the illustrated example, only one generator motor 11 having a magnetic bearing function is shown, but actually, a plurality of generator motors of the same type are provided, thereby supporting the main shaft directly connected to the flywheel 16 at a plurality of locations. To do.
[0013]
In this generator motor 11, for example, a flywheel 16 having a mass of about 100 kg is rotated at a high speed such as 10,000 rotations per minute, thereby storing mechanical kinetic energy. Then, one of the two-pole winding 14 and the four-pole winding 15 is a main winding, and the other is a control winding, so that the rotor 13 can be lifted and supported as a magnetic bearing while generating power from the main winding. Take out. As described above, the generator motor 11 includes the two-pole winding 14 and the four-pole winding 15, so that one of the windings is a main winding and the other winding is a control winding. Thus, in any case, the pole number difference is 2, which can generate a static magnetic force in the radial direction, and the rotor can be supported by levitation by the magnetic bearing function.
[0014]
This power generation system includes a switch 17 that switches between the two-pole winding 14 and the four-pole winding 15. By this switcher 17, a combination in which the two-pole winding 14 is the main winding and the four-pole winding 15 is the control winding, and the four-pole winding 15 is the main winding and the two-pole winding 14 is the control winding. Switching to a combination of lines is possible. On the main inverter device side 18 of the switching device 17 is an inverter device 19 that once rectifies the AC power formed by the generator motor 11 to convert it into DC power, and further converts it into AC power that matches the commercial power frequency and voltage. It is connected.
[0015]
The inverter device 19 includes a converter unit 19a that rectifies the power generation output of the generator motor 11, a DC unit 19b that includes a capacitor that smoothes the rectified voltage and holds it as DC power, and DC / DC that boosts the DC power. A booster 19c, such as a converter, and an inverter 19d that reversely converts the boosted DC power into AC power having a required frequency and voltage. The generated power converted into the frequency / voltage of a commercial AC power source or the like in this way is supplied from the terminal 20 to the load side.
[0016]
On the other hand, the control inverter device side 21 of the switcher 17 is connected to an inverter device 22 for supplying a control current. The inverter device 22 rectifies AC power such as a commercial AC power source and then controls the generator motor 11. It supplies the required control current to the windings. By this inverter device 22, an alternating current having a pole number different from that of the current flowing in the main winding is supplied to the control winding of the stator 12 by adjusting the phase and the magnitude thereof, so that any direction can be obtained. The formation of the static magnetic force is as described above.
[0017]
The switching operation of the switch 17 is performed according to a command from the control device 23. The control device 23 is connected to each of the inverter devices 19 and 22 to monitor these operation states and output a control command to them. That is, when one of the windings is operated as the main winding, when this output voltage decreases and reaches a predetermined value, a switching signal is output to the switch 17 and the main winding is switched to the other winding. Switch. At this time, the inverter devices 19 and 22 are adjusted so that the main winding current and the control winding current maintain the state before switching.
[0018]
FIG. 2 shows the current distribution in each winding inside the stator. The case shown in FIG. 2 (a), a 2-pole winding 14 is adopted as the main winding, a case of adopting the 4-pole winding 15 and the control winding. By using the two-pole winding 14 as a main winding, the illustrated two-pole magnetic flux is formed, thereby forming a two-pole main rotating magnetic field. On the other hand, a 4-pole control magnetic field is formed by the 4-pole winding 15.
[0019]
The case shown in FIG. 2 (b) employs a 4-pole winding 15 as a primary winding, a case of adopting the 2-pole winding 14 as the control winding. By using the quadrupole winding 15 as the main winding, the illustrated four-pole magnetic flux is formed, and a four-pole rotating magnetic field is formed. In this case, as a control winding 2-pole winding 14 is employed, the control field of likewise 2-pole are formed. In this power generation system, the switch 17 is provided, so that the two-pole winding is used as the main winding and the four-pole winding is used as the control winding as shown in FIG. As shown in (b), switching is possible between a case where a four-pole winding is used as a main winding and a two-pole winding is used as a control winding.
[0020]
Next, operation | movement of this electric power generation system is demonstrated with reference to FIG.1 and FIG.3. In this power generation system, the generator motor 11 is directly connected to the flywheel 16 as described above, kinetic energy is stored in the flywheel, and the generator motor is operated as a generator from the flywheel to extract the power energy. is there. Here, the generator motor 11 includes a two-pole winding and a four-pole winding, both of which can operate as a main winding and a control winding.
[0021]
First, as a pre-stage illustrated, drives the generator motor 11 as a motor flywheel 16 directly connected to the rotor 13 to reach a predetermined rotational speed S 0. At this time, the two-pole winding 14 is adopted as the main winding, and the four-pole winding 15 is adopted as the control winding at the same time, and the control current is supplied thereto, so that the rotor 13 is floated. That is, the generator motor 11 functions as a magnetic bearing, whereby the rotor 13 is levitated and supported without contact with the stator 12. This shifts to a state of functioning as a generator. Here, a large amount of kinetic energy is accumulated by rotating the rotating body having a large mass as the flywheel 16 at a high speed. The generated voltage at this time is V 0.
[0022]
When the load is generated at time t 1, the generator motor 11 is driven by a flywheel 16, and outputs the operation as a generator. Switching unit 17 is connected initially to adopt a 2-pole winding 14 as a main winding, the generated power generated in the main winding by the inverter device 19 to the power corresponding to the voltage and frequency of the commercial AC power source It is converted and supplied from the terminal 20 to the load side. On the other hand, a part of the generated AC power is introduced into the inverter device 22 and reversely converted into a current supplied to the control winding necessary for causing the generator motor 11 to function as a magnetic bearing and supplied to the control winding. The
[0023]
In a power generator that does not supply energy from the outside during power generation, such as a flywheel generator, the kinetic energy held by the load L decreases, and the rotational speed S decreases. The control device detects the rotational speed or the power generation voltage of the rotor, for example, when reduced to the switching voltage V 1 which is set in advance, controls the two-pole windings which has been adopted as main windings ever winding Switching to use as a line, switching to adopt the 4-pole winding used as the control winding as the main winding (time t 2 ). That is, in FIG. 1, the switch 17 is switched from the state indicated by the solid line to the state indicated by the dotted line.
[0024]
As a result of this switching, the main winding in which the generated voltage is generated as a generator is changed from 2 poles to 4 poles, and in the 4 pole winding, the electrical angle is as small as 1/2 with respect to the 2 pole winding. In this case, the voltage is doubled (from V 1 to V 0 ). Therefore, the generated voltage V can be returned to the initial voltage V 0 by switching between the four-pole winding and the two-pole winding when the rotational speed S is reduced to about ½ of the original.
[0025]
Thereby, in the inverter device 19, the voltage supplied to the inverter unit is boosted by the DC / DC converter 19c, but the voltage itself supplied to the converter unit 19a becomes high, so the burden on the DC / DC converter 19c is reduced. can do. In other words, the kinetic energy stored in the flywheel is consumed, and even if the rotational speed is reduced to about half, it can be restored to the original generated voltage, thereby effectively using the energy stored in the flywheel. can do.
[0026]
In the above embodiment, an example in which kinetic energy accumulated in the flywheel is consumed and converted into generated power has been described, but various other applications are possible. For example, the electric energy stored in the storage battery is supplied to a generator motor having a two-pole winding and a four-pole winding to operate as a motor. Initially, the 4-pole winding is used as the main winding and the drive current is given. The 2-pole winding is given as the control winding and the rotor is levitated and supported as a magnetic bearing by static magnetic force. Do. The two-pole winding and the four-pole winding are each manufactured so that the rated operation as a motor can be performed independently, and the two-pole winding is manufactured to operate at a rated voltage lower than that of the four-pole winding. The electric energy stored in the storage battery is reduced by continuing the motor operation, and when the voltage drops, the four-pole winding that gives drive current is switched to the two-pole winding, and the control current is given 2 Switch the pole winding to the 4-pole winding. By this operation, it is possible to maintain a sufficient rated operation state with the two-pole winding as the main winding without increasing the voltage supplied to the electric motor. After switching, the 4-pole winding is used as the control winding, but the control winding current required for magnetic levitation is sufficiently smaller than the drive current of the main winding, so the required voltage is small, so the supply voltage Even if it falls, it will not interfere with the operation of the motor that is magnetically levitated. Further, since the two-pole winding after switching operates at a low rated voltage, the supply voltage to the inverter for adjusting the current applied to the two-pole winding can be operated at a sufficiently low voltage. Thus, by switching the windings employed as the main winding and the control winding, it is possible to return the power generation output or the motor output to the initial operation state.
[0027]
In the above embodiment, an example in which a quadrupole winding and a two-pole winding are provided has been described. However, in addition to this combination, if the number of poles is ± 2n (where n is an integer), the radius Directional static magnetic force is obtained. Therefore, as long as the above relationship of the number of poles is satisfied, it can be operated as a generator motor having the same magnetic bearing function as described above.
[0028]
Moreover, although the said embodiment demonstrated the example which switches a coil | winding in the state in which the generated voltage fell to the original 1/2, the winding ratio was adjusted beforehand, for example, the rotation speed fell to 2/3. Sometimes switching may be performed. Thus, various modified embodiments are possible without departing from the spirit of the present invention.
[0029]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the number of poles is different when converting mechanical energy into electric energy or converting electric energy into mechanical energy using a generator motor having a magnetic bearing function. By switching the role of the set of wirings, it is possible to return to the original generated voltage or rotational speed even when the supplied energy is reduced. As a result, the stored energy can be effectively used.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a power generation system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows the current distribution of the magnetic bearing / generator in FIG. 1, where (a) shows an example in which a two-pole winding is used as the main winding and a four-pole winding is used as the control winding; ) Shows an example in which a 4-pole winding is used as the main winding and a 2-pole winding is used as the control winding.
FIG. 3 is a time chart showing an operation example of the power generation system shown in FIG. 1;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Magnetic bearing combined generator motor 12 Stator 13 Rotor 14 Two pole winding 15 Four pole winding 16 Flywheel 17 Switch 18 Main inverter apparatus side 19 Main inverter apparatus 20 Terminal 21 Control inverter apparatus side 22 Control inverter apparatus

Claims (5)

定子に極数が2n(但しnは整数)だけ異なる第1の巻線と第2の巻線とを備え、該第1の巻線と第2の巻線に電流が流れることで回転子を固定子に対して浮上支持する磁気軸受兼用発電電動機において、
前記第1の巻線と第2の巻線のうち、一方の巻線を主巻線とし、他方の巻線を制御巻線とし、主巻線となる巻線と接続し発電電力を負荷側に供給するインバータ装置と、制御巻線となる巻線と接続し該巻線に制御電流を供給するインバータ装置と、
前記第1の巻線と第2の巻線のうち、一方の巻線を主巻線から制御巻線に、他方の巻線を制御巻線から主巻線に切換える切換器とを備えたことを特徴とする磁気軸受兼用発電電動機。
Solid pole count 2n (where n is an integer) the stator and a only different first winding and the second winding, said first winding and a rotor with a current flows through the second winding In a magnetic bearing combined generator motor that floats and supports the stator,
Of the first and second windings, one winding is the main winding, the other winding is the control winding, and the generated power is connected to the main winding. An inverter device supplied to the inverter, an inverter device connected to a winding to be a control winding and supplying a control current to the winding;
A switch for switching one of the first winding and the second winding from the main winding to the control winding and the other winding from the control winding to the main winding is provided. Magnetic generator combined with generator motor.
前記第1の巻線と第2の巻線が2極巻線と4極巻線とであることを特徴とする請求項1記載の磁気軸受兼用発電電動機。 The generator motor according to claim 1, wherein the first winding and the second winding are a two-pole winding and a four-pole winding. 前記発電電動機を発電機として動作させ、前記発電機の出力電圧が所定電圧にまで低下した時に、前記第1の巻線と第2の巻線のうち、一方の巻線を主巻線から制御巻線に、他方の巻線を制御巻線から主巻線にを切換えることを特徴とする請求項1記載の磁気軸受兼用発電電動機。When the generator motor is operated as a generator and the output voltage of the generator is reduced to a predetermined voltage, one of the first winding and the second winding is controlled from the main winding. the winding, magnetic bearings and generator motor according to claim 1, wherein the Turkey switched to the main winding and the other winding from the control winding. 前記切換えに際して、前記発電機の出力電圧が所定の倍率に上昇することを特徴とする請求項3記載の磁気軸受兼用発電電動機。  4. The generator / motor combined with a magnetic bearing according to claim 3, wherein the output voltage of the generator rises to a predetermined magnification upon the switching. 前記切換器は、切換え時に主巻線電流と制御巻線電流とを、それぞれ切換え前の状態を維持するように調整する制御装置を備えたことを特徴とする請求項3または請求項4記載の磁気軸受兼用発電電動機。5. The control device according to claim 3, wherein the switch includes a control device that adjusts a main winding current and a control winding current so as to maintain a state before switching at the time of switching. Magnetic bearing combined use generator motor.
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